體育場館照明的研究

閆立祥

體育場館照明的研究

閆立祥

我國體育場館的建設進入到了高速發展的階段。對體育場館照明節能的控制是十分具有實際意義的，這樣既可以減少電能的消耗，節約電費；又可以降低對燈具的損耗，提高燈具使用壽命，同時可以節省投入資金。

光源；實驗；控制；節能

1　體育場館照明的分析

1.1課題背景

節約能源是一個傳統的話題，節能降耗，減少污染，是利在當代、造福子孫的大事。節約照明用電不僅可以節約資源，也可以減少環境污染，并且減少電站投資和電費開支［1］。

對體育館進行照明節能的控制不僅可以減少電能的使用量，還可以降低對照明燈具的損耗，提高使用壽命。更體育照明節能主要是選擇性的降低照度，減少浪費，即提倡綠色照明［2］。

1.2體育場館照明要求

近年來，隨著體育運動的迅猛發展，興建了大批的體育場館。現代化體育場館現代的體育場館建設，向規模適中、功能多樣方向發展。因此，體育場館的照明，往往不是僅僅考慮單一功能，而是要考慮多功能的應用。體育場館的照明，為滿足不同使用功能的照明要求，既要有合適的照明光環境，又要達到照明節能的目的。從智能照明的角度來看，應本著有利于運動員技術水平的發揮，有利于裁判員的正確判斷，有利于觀眾各方位的觀看效果，有利于現代電視轉播的原則來設計。

照明是依靠光線的功能，保證燈光作用于場地內，使運動員、觀眾、裁判等看見場地上的一切，如場地的明暗、物體的色彩、深度、立體感等，所以良好的照明在現代體育場館中，占有非常重要的地位。而照明中最關鍵的就是燈具有良好的配光系統、光源有良好的性能及燈具合理專業的布置。

2　照明光源的選擇

正確、合理選用光源，是實施綠色照明工程的重要因素。選用光源應考慮以下兩個方面內容［3］。根據場所使用特點和建筑尺寸，選用合適的光源類型。

2.1實驗條件

在實驗中，將實驗對象高壓鈉燈和金屬鹵化物燈分別接到電網上，并調節加在光源上的電壓，同時記錄電壓值、電流值、功率值和相應的照度。實驗電路如圖1所示。圖1a用來測量功率、電壓和電流，圖1b用來測量照度。

圖1　實驗電路

其中，電網電壓U為工頻電壓。開關S型號為z-15p，參數為15 A，250VAC。調壓器V1型號為TDGC2J-5，輸入電壓220 V，輸出電壓0～250 V。功率因數表P1型號為ZW1404，輸入AC60 V/15 A，供電電源AC220 V/100 V。數字照度計Lu型號為SG-12202，量程為0.1～19 990 。在測量照度過程中，與光源距離1 m處測量。

2.2高壓鈉燈發光的能效比實驗研究

在實驗測量中，我們得到高壓鈉燈在電壓242～187 V范圍內時，相應的照度、功率和能效比。為便于對高壓鈉燈實驗曲線進行分析，現將高壓鈉燈實驗數據整理繪成曲線如圖2所示。為使分析數據和對照曲線方便，分別取各變量的標幺值，即各變量相對于各額定狀態變量的比值。

圖2 高壓鈉燈分析曲線

圖2中，曲線的橫坐標為電壓的標幺值，縱坐標分別為照度、功率和能效比的標幺值。a為照度曲線，b為功率曲線，c為能效比曲線，可以得出：在電壓降低時，照度幾乎呈直線下降的趨勢，功率逐漸下降，但是高壓鈉燈的發光能效比卻隨著電壓的下降呈上升的趨勢。由圖可以得出，高壓鈉燈在電壓為234 V時能效比最低。僅從燈具發光能效來看，高壓鈉燈在調低光照度的同時，能效比有所提高并不是我們追求的節能目標。但是對場館照明來說，調光降低照度是功能要求。

2.3金屬鹵化物燈發光的能效比實驗研究

通過實驗測量，得到金屬鹵化物燈在電壓242～187 V范圍內時變化的相應照度、功率和能效比。為便于對金屬鹵化物燈實驗曲線進行分析，現將金屬鹵化物燈實驗數據整理繪成曲線如圖3所示。為使分析數據和對照曲線方便，分別取各變量的標幺值，即各變量相對于各額定狀態變量的比值。

其中，曲線的橫坐標為電壓的標幺值，縱坐標分別為照度、功率和能效比的標幺值。由圖3中，a為照度曲線，b為功率曲線，c為能效比曲線，可以得出：在電壓降低時，照度幾乎呈直線下降的趨勢，功率逐漸下降，但是金屬鹵化物燈的發光能效比與高壓鈉燈相似，隨著電壓的下降呈上升的趨勢，由圖3可以得出，金屬鹵化物燈在電壓為231 V時能效比才是最低的。

金屬鹵化物燈與高壓鈉燈的電光特性相似。僅從燈具發光能效來看，金屬鹵化物燈在調低光照度的同時，能效比有所提高并不是追求的唯一節能目標。但是對場館照明來說，調光降低照度是功能要求。在調光降低照度的同時，金屬鹵化物燈在照度降低22.4%時，功率降低15%。即在足體育場館變光控制的同時，也可以達到節能的目的。在降低相同電功率15%時，金屬鹵化物燈的調光范圍比高壓鈉燈小。

此外，金屬鹵化物燈對電源電壓的波動更為敏感。電源電壓在額定值上下變化大于10%時，就會造成燈顏色的變化。電源電壓太高還會縮短燈具的壽命。而高壓鈉燈可以進行調光，只要采用合適的措施保證等在交流的每半周能重復點火，高壓鈉燈的光輸出就可以調低至正常值的10%。通常是調到正常值的一半。這時，系統的功耗減少到正常值的65%［4-7］。所以，針對場館照明的特點和要求，結合上述對兩種常用的場館光源技術指標的實驗研究與分析，在本研究中采用的燈具為高壓鈉燈。

圖3　金屬鹵化物燈實驗曲線

3　國內外照明節能控制設備的性能比較

根據所選燈具特性和照明要求對調壓控制方式進行研究［8］。

目前國內照明節能主要的途徑有兩種：①采用高效的節能型光源，也就是使用發光效率高的燈泡或燈管；②在現有照明系統上加裝節能控制設備。

從實際應用的角度來看，第一種方案適用于新設計的照明回路。對于已有的照明系統，因需更換所有燈具，初期投入資金和人力比較大，在不能分批分次更新燈具的照明場所，這樣做一次性投入太大，使許多單位望而卻步。同時，高效節能光源（燈管、燈泡）是傳統光源價格的5～10倍，如果采購的節能型燈具本身質量有問題或是電網供電質量不好，節能型燈具使用壽命很短，這樣就可能造成使用單位出現“節能不節錢”的不正?，F象［9，10］。

對現有照明系統的節能改造，一般采用加裝節能設備，較為經濟和實用，目前國內銷售的照明節能設備很多，其中照明控制調控裝置所占比例最大。從工作原理上大致分為三大類。

3.1可控硅斬波型照明節能裝置

原理：采用可控硅斬波原理，通過控制晶閘管（可控硅）的導通角，將電網輸入的正弦波電壓斬掉一部分，從而降低了輸出電壓的平均值，達到控壓節電的目的。

這類節能調控設備對照明系統的電壓調節速度快、精度高，可分時段實時調整，有穩壓作用，因為主要是電子原件，相對來說體積小、設備輕、成本低。但該調壓方式存在致命缺陷，由于斬波，使電壓無法實現正弦波輸出，還會出現大量諧波，形成對電網系統諧波污染，危害極大，不能用在有電容補償電路中（現代照明設計要求規定，照明系統中功率因數必須達到0.9以上，而氣體放電燈的功率因數在一般在0.5以下，所以都設計用電容補償功率因數）。

3.2自耦降壓式調控裝置

現在市場上最多照明節電產品就是此類產品。它的原理是，通過一個自耦變壓器機芯，根據輸入電壓高低情況，接連不同的固定變壓器抽頭，將電網電壓降低5、10、15、20 V等幾個檔，從而達到降壓節電的目的。

這類產品最大的優點是克服了可控硅斬波型產品產生諧波的缺陷，實現了電壓的正弦波輸出，結構和功能都很簡單，當然可靠性也比較高。但也存在不穩定波動狀態、輸出電壓也會上下波動等技術缺陷。

3.3智能照明節電器

從前兩類節電產品來看，它們各有優缺點，之所以不能得到大量使用，是因為其本身都存在技術缺陷，可控硅（相控）型優點是，可實時精確控制輸出電壓，滿足照明用電的最佳值，缺陷是電壓無法實現正弦波輸出，有諧波污染。而自耦降壓型的優點正好是能做到電壓正弦波輸出，卻不能實現電壓的自動精確控制，只能固定降電壓，不能升壓和穩壓，如果能將兩者優勢結合互補，去除缺陷，就是相對比較理想的照明節能產品了。

智能照明調控裝置工作原理，采用微電腦控制系統，實時采集輸出、輸入電壓信號與最佳照明電壓比較，通過計算進行自動調節，從而保證輸出最佳的照明系統工作電壓。

智能照明調控裝置在結合前兩類節能產品的優點的基礎上，克服了其中存在的缺陷，具體優點體現在以下三個方面：

3.3.1優化電力質量，節約照明用電

針對電網電壓偏高和波動等現象，調控裝置可根據用戶現場實際需求，實時在線調控輸出最佳照明工作電壓，并能將其穩定在±2%以內，有效提高力質量，從而達到節電10%～40%的效果。

3.3.2有效保護電光源，延長其使用壽命

影響電光源壽命的一個重要因素是，運行時電流和電壓對光源的沖擊。在電壓波動很大的地方，如電氣設備比較多的廠區，一分鐘內的電壓波動達到±15%；智能調控裝置高穩定的最佳照明電壓，能夠延長電光源壽命2～4倍，減少照明運行、維護成本30%～50%。

3.3.3適用性、可靠性

調控裝置每相可獨立調節，可操作性強，可以承受三相100%的不平衡負載，且保證單相的故障絕不影響其它兩相的正常運行。同一個裝置可以帶不同類型光源負載，還可以獨立調節每相的輸出電壓。采用手動和自動雙旁路系統，以保證照明設備不斷電，正常安全運行；調控裝置控制部分不含交流接觸器，無觸點和移動元件，保證高可靠性和低功耗。

這類照明節電產品成本略高于前兩種，可實現智能照明調控、有效保護電光源、降低電能消耗的功能，使用的經濟性和可靠性遠遠好于前兩種產品，是目前國際上比較成熟的照明控制解決方案。

4　結語

本文在對幾種燈具的性能比較之后，本文選擇了高壓鈉燈作為照明光源。對調壓控制器進行了研究，在完成調壓功能的基礎上加入了智能控制的思想。由于高壓鈉燈傳遞函數具有慣性特性，基于這一特點可以對電壓波動進行預測。使得調壓控制有了提前量，既能減少電壓波動對燈具的影響，又達到節能目標。

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沈陽市電子工業技工學校遼寧沈陽110000

TU 113

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